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1、1第十章 预应力混凝土结构10.1 预应力混凝土的概念第1页/共120页2 产生上述问题原因主要是因为产生上述问题原因主要是因为混凝土的抗拉强度太低混凝土的抗拉强度太低，导致受，导致受拉区混凝土过早开裂，截面抗弯刚度显著降低。拉区混凝土过早开裂，截面抗弯刚度显著降低。钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度而加大截面钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度而加大截面尺寸，会导致自重进一步增大，尺寸，会导致自重进一步增大，形成恶性循环形成恶性循环。如增加钢筋来提高刚度，则钢材的强度得不到充分利用，造成如增加钢筋来提高刚度，则钢材的强度得不到充分利用，造成浪费。浪费。采用高强钢筋，按正截面
2、承载力要求可减少配筋，截面抗弯刚采用高强钢筋，按正截面承载力要求可减少配筋，截面抗弯刚度基本与配筋面积成比例降低，故度基本与配筋面积成比例降低，故挠度变形控制挠度变形控制难以满足。难以满足。裂缝宽度与钢筋应力基本成正比裂缝宽度与钢筋应力基本成正比，一般，一般Ms=(0.60.8)My，如配，如配筋按正截面承载力计算，筋按正截面承载力计算，Ms下下 ss=(0.50.7)fy。对于。对于级钢筋，级钢筋，fy=300MPa，ss=150210MPa，裂缝宽度已达，裂缝宽度已达(0.15 0.25)mm。如采用。如采用级高强钢筋，级高强钢筋，fy=580MPa，则，则 ss=290 406 MPa，
3、裂缝宽度已远远超过容许限值。裂缝宽度已远远超过容许限值。第十章 预应力混凝土结构10.1 预应力混凝土的概念第2页/共120页3二、预应力的基本概念第十章 预应力混凝土结构10.1 预应力混凝土的概念第3页/共120页4由于预加应力 pc较大，受拉边缘仍处于受压状态，不会出现开裂；受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混凝土的抗拉强度，一般不会出现开裂；受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会产生裂缝，但比钢筋混凝土构件（Np=0）的开裂明显推迟，裂缝宽度也显著减小。第十章 预应力混凝土结构10.1 预应力混凝土的概念第4页/共120页5第十章 预应力混凝土结构10.1 预应力混凝土的概念 预应力
4、混凝土的分类 预应力度：有效预压应力与使用荷载产生的应力之比：pc/sc (=M0/M =N0/N)全预应力混凝土（1）：当使用荷载作用下，不允许载面上混凝土出现拉应力的构件。相当于裂缝控制等级为一级的构件。限值预应力混凝土（11ftk/sc）：当使用荷载作用下根据荷载效应组合情况，不同程度地保证混凝土不开裂的构件。相当于裂缝控制等级为二级的构件。部分预应力混凝土（1ftk/sc 0）：当使用荷载作用下，允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值的构件。相当于裂缝控制等级为三级，即允许出现裂缝的构件。钢筋混凝土（0）第5页/共120页6第十章 预应力混凝土结构 在预应力混凝土发展的早期，大多按在
5、预应力混凝土发展的早期，大多按全预应力混凝土来设计全预应力混凝土来设计。其。其 抗抗裂性高、抗疲劳性能好、刚度大、设计计算简单。裂性高、抗疲劳性能好、刚度大、设计计算简单。适用于对抗裂有很适用于对抗裂有很高要求的结构，如有防渗漏要求的压力容器（核反应堆压力容器和安高要求的结构，如有防渗漏要求的压力容器（核反应堆压力容器和安全壳）、储液罐和在严重腐蚀环境下需防止钢材锈蚀的结构，以及承全壳）、储液罐和在严重腐蚀环境下需防止钢材锈蚀的结构，以及承受高频反复荷载易产生疲劳破坏的结构。受高频反复荷载易产生疲劳破坏的结构。但但全预应力混凝土也存在着以下的缺点全预应力混凝土也存在着以下的缺点：对抗裂要求过高
6、，导致预应力筋配筋量往往由抗裂要求控制，而对抗裂要求过高，导致预应力筋配筋量往往由抗裂要求控制，而不是由承载力条件确定；不是由承载力条件确定；反拱过大，特别是在恒载小、活荷载大的情况下，混凝土处于长反拱过大，特别是在恒载小、活荷载大的情况下，混凝土处于长期高预压应力状态，引起徐变和反拱不断增长，以致影响结构的正常期高预压应力状态，引起徐变和反拱不断增长，以致影响结构的正常使用；使用；从开裂到破坏的过程很短，且破坏后延性小；从开裂到破坏的过程很短，且破坏后延性小；施加预应力大，对张拉设备、锚具等要求较高，制作费用高。施加预应力大，对张拉设备、锚具等要求较高，制作费用高。10.1 预应力混凝土的概
7、念第6页/共120页7第十章 预应力混凝土结构10.1 预应力混凝土的概念事实上，结构产生的裂缝不仅仅是荷载的原因，温度、收缩徐变以事实上，结构产生的裂缝不仅仅是荷载的原因，温度、收缩徐变以及其他因素产生的变形受到约束时（如沉降、水化热等），都可能使及其他因素产生的变形受到约束时（如沉降、水化热等），都可能使全预应力混凝土构件产生裂缝，有的还比较严重。此外全预应力混凝全预应力混凝土构件产生裂缝，有的还比较严重。此外全预应力混凝土构件中，由于局部高压应力会产生横向拉应力、剪力和扭转的产生土构件中，由于局部高压应力会产生横向拉应力、剪力和扭转的产生斜拉应力等也会产生裂缝。斜拉应力等也会产生裂缝。因
8、此，要完全靠预应力来保证结构中不出因此，要完全靠预应力来保证结构中不出现裂缝，不仅技术很难做到，而且在经济上也是不合理的。现裂缝，不仅技术很难做到，而且在经济上也是不合理的。另一方面，近年来对裂缝控制的研究表明，细微裂缝宽度对结构耐另一方面，近年来对裂缝控制的研究表明，细微裂缝宽度对结构耐久性并无影响。而且施加预应力的构件，即使出现裂缝，当活荷载移久性并无影响。而且施加预应力的构件，即使出现裂缝，当活荷载移去后，去后，裂缝还可以闭合裂缝还可以闭合，裂缝的开展是短暂的。因此，从满足结构功，裂缝的开展是短暂的。因此，从满足结构功能要求的角度，很多情况不必采用全预应力混凝土。适当降低预压应能要求的角
9、度，很多情况不必采用全预应力混凝土。适当降低预压应力，容许混凝土出现拉应力或开裂，作成有限预应力或力，容许混凝土出现拉应力或开裂，作成有限预应力或部分预应力混部分预应力混凝土凝土，可以使设计更加合理和经济。，可以使设计更加合理和经济。采用有限预应力或部分预应力混凝土可以采用有限预应力或部分预应力混凝土可以节约预应力钢材节约预应力钢材、有效地、有效地控制反拱控制反拱、提高延性提高延性，部分的开裂产生的刚度降低，也有助于结构内，部分的开裂产生的刚度降低，也有助于结构内力的调整，以减小由于约束变形（如温差、不均匀沉降等）而产生的力的调整，以减小由于约束变形（如温差、不均匀沉降等）而产生的内力。内力。
10、第7页/共120页8第十章 预应力混凝土结构10.1 预应力混凝土的概念预应力混凝土结构的优缺点：优点：预应力混凝土构件可延缓混凝土构件的开裂，提高构件抗裂度和刚度，并取得节约钢筋，减轻自重的效果，克服了钢筋混凝土的主要缺点。此外，结构自重轻，耐久性好，抗剪能力强，疲劳性能好缺点：构造、施工和计算较钢筋砼构件复杂，且延性也差些。宜优先采用预应力混凝土结构物：（1）要求裂缝控制等级较高的结构；（2）大跨度或受力很大的构件；（3）对构件的刚度和变形控制要求较高的结构构件，如工业厂房中的吊车梁、码头和桥梁中的大跨度梁式构件等。第8页/共120页9第十章 预应力混凝土结构10.1 预应力混凝土的概念第
11、9页/共120页10第十章 预应力混凝土结构10.1 预应力混凝土的概念第10页/共120页11预应力坝第11页/共120页1210.2 10.2 施加预应力的方法施加预应力的方法先张法先张法第十章 预应力混凝土结构10.2 施加预应力的方法第12页/共120页13第十章 预应力混凝土结构10.2 施加预应力的方法第13页/共120页14后张法后张法第十章 预应力混凝土结构无粘结预应力混凝土无粘结预应力混凝土一定要有非预应力筋锚具的可靠性高强钢丝的可靠度10.2 施加预应力的方法第14页/共120页15第15页/共120页16第16页/共120页1710.3 预应力混凝土的材料及锚夹具10.3
12、 10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具预应力混凝土的材料及锚夹具一、预应力钢筋 强度高，松弛低；具有一定的塑性；良好的加工性能；与混凝土之间能较好地粘结，预应力钢筋的强度越高越好。在预应力砼制作和使用过程中，由于种种原因，预应力筋中预先施加的张拉应力会产生损失，因此，为使得扣除应力损失后仍具有较高的张拉应力，也必须使用高强钢筋（丝）作预应力筋。为避免在超载情况下发生脆性破断，预应力筋还必须具有一定的塑性。同时还要求具有良好的加工性能，以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。对钢丝类预应力筋，还要求具有低松弛性和与混凝土良好的粘结性能，通常采用刻痕或压波方法来提高与混凝土粘结强度。第十章 预应力混凝土
13、结构第17页/共120页181、冷拉低合金钢筋 通常将级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达580MPa。为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹，可用套筒直接连接。但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产，这种预应力筋的应用已很少。10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具第十章 预应力混凝土结构第18页/共120页192 2、中高强钢丝中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝的强度为14701860MPa。为增加与砼粘结强度，钢丝表面可刻痕或压波，也可制成螺旋肋。消除应力钢丝：钢丝经冷拔后，存在有较大的内应力，一
14、般都需要采用低温回火处理来消除内应力。消除应力钢丝的比例极限、条件屈服强度和弹性模量均比消除应力前有所提高，塑性也有所改善。10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具第十章 预应力混凝土结构刻痕钢丝螺旋肋钢丝第19页/共120页203 3、钢绞线 钢绞线是用2、3、7股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋，其中以7股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为9.515.2 mm，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达1860MPa。2股和3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的粘结强度。10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具第十章 预应力混凝土结构无粘结预应力束第20页/共120页214 4、
15、热处理钢筋 用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的高强度钢筋，直径为610mm，抗拉强度为1470MPa。10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具第十章 预应力混凝土结构 除冷拉低合金钢筋外，其余预应力筋的应力-应变曲线均无明显屈服点，采用残余应变为0.2%的条件屈服点作为抗拉强度设计指标。第21页/共120页2210.3 预应力混凝土的材料及锚夹具第十章 预应力混凝土结构第22页/共120页23二、混凝土二、混凝土预应力混凝土要求采用高强混凝土预应力混凝土要求采用高强混凝土强度高；收缩、徐变小；快硬、早强强度高；收缩、徐变小；快硬、早强可以施加较大的预压应力，提高预应力效率；可以施加较大的预压
16、应力，提高预应力效率；有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求；有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求；具有较高的弹性模量，有利于提高截面抗弯刚度，减少预压时的弹具有较高的弹性模量，有利于提高截面抗弯刚度，减少预压时的弹性回缩；性回缩；徐变较小，有利于减少徐变引起的预应力损失；徐变较小，有利于减少徐变引起的预应力损失；与钢筋有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传递长度；与钢筋有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传递长度；有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的尺寸；尺寸；强度早期发展较快，可较早施加预应力
17、，加快施工速度，提高台座、强度早期发展较快，可较早施加预应力，加快施工速度，提高台座、具夹具的周转率，降低间接费用具夹具的周转率，降低间接费用 一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C30，当采用，当采用高强钢丝时不低于高强钢丝时不低于C40。10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具第十章 预应力混凝土结构第23页/共120页24 三、锚具和夹具10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具第十章 预应力混凝土结构第24页/共120页2510.3 预应力混凝土的材料及锚夹具第十章 预应力混凝土结构夹片式锚具第25页/共120页2610.3 预应力混凝土的材料及锚
18、夹具第十章 预应力混凝土结构第26页/共120页27第27页/共120页28第28页/共120页29第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失10.4 10.4 张拉控制应力和预应力损失张拉控制应力和预应力损失 在张拉预应力筋对构件施加预应力时，张拉设备（千斤顶油压表）所在张拉预应力筋对构件施加预应力时，张拉设备（千斤顶油压表）所控制的控制的总张拉力总张拉力Np,con除以预应力筋面积除以预应力筋面积Ap得到的应力称为得到的应力称为张拉控制应张拉控制应力力 con。它是预应力筋在在构件受荷以前所经受的最大应力。它是预应力筋在在构件受荷以前所经受的最大应力。张拉控制应力张拉控制应
19、力 con取值越高，预应力筋对混凝土的预压作用越大，可取值越高，预应力筋对混凝土的预压作用越大，可以使预应力筋充分发挥作用。以使预应力筋充分发挥作用。但但 con取值过高，可能会在张拉时引起破断事故；产生过大应力松弛；取值过高，可能会在张拉时引起破断事故；产生过大应力松弛；对后张法构件可能造成端部混凝土局压破坏；构件的延性较差。对后张法构件可能造成端部混凝土局压破坏；构件的延性较差。一、张拉控制应力一、张拉控制应力第29页/共120页30第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失张拉控制应力限值scon张拉方法钢筋种类先张法后张法预应力钢丝、钢绞线热处理钢筋0.75 fptk0
20、.70 fptk0.75 fptk0.65 fptk 因为对预应力筋的张拉过程是在施工阶段进行的，同时张拉预应力筋也是对它进行的一次检验，所以表中 con是以预应力筋的标准强度给出的，且 con可不受抗拉强度设计值的限制。在下列情况下，con可提高0.05 fptk：为提高构件在施工阶段的抗裂性能，而在使用阶段受压区内设置的预应力筋；为部分抵消应力松弛、摩擦、分批张拉和温差产生预应力损失。为避免 con的取值过低，影响预应力筋充分发挥作用，规范规定 con不应小于0.4 fptk。第30页/共120页31二、预应力损失二、预应力损失 预应力筋张拉后，由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上原预应力
21、筋张拉后，由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上原因，因，预应力筋中应力会从预应力筋中应力会从 con逐步减少逐步减少，并经过相当长的时间才，并经过相当长的时间才会最终稳定下来，这种应力降低现象称为预应力损失。会最终稳定下来，这种应力降低现象称为预应力损失。由于最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果。由于最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果。因因此，预应力损失是预应力混凝土结构设计和施工中的一个关键此，预应力损失是预应力混凝土结构设计和施工中的一个关键的问题。的问题。过高或过低估计预应力损失，都会对结构的使用性能产生不利过高或过低估计预应力损失，都会对结构的使用性能产生不利影响
22、。影响。第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失第31页/共120页32第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失 由于预应力的通过张拉预应力筋得到，由于预应力的通过张拉预应力筋得到，凡是能使预应力筋凡是能使预应力筋产生缩短的因素，都将引起预应力损失产生缩短的因素，都将引起预应力损失，主要有：主要有：锚固损失：锚固损失：锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移。锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移。摩擦损失：摩擦损失：在预应力筋张拉过程中，后张法在预应力筋张拉过程中，后张法预应力筋与孔道预应力筋与孔道壁之间的摩擦壁之间的摩擦，先张法预应力筋与锚具之间以及折点处的，先张法预
23、应力筋与锚具之间以及折点处的摩擦，也会使张拉应力造成损失。摩擦，也会使张拉应力造成损失。混凝土的收缩和徐变引起的损失。混凝土的收缩和徐变引起的损失。松弛损失松弛损失：长度不变的预应力筋，在高应力的长期作用下会：长度不变的预应力筋，在高应力的长期作用下会产生产生松弛松弛，会引起预应力损失。，会引起预应力损失。温差损失：温差损失：先张法中的先张法中的热养护引起的温差损失。热养护引起的温差损失。弹性压缩损失：弹性压缩损失：混凝土弹性压缩，后张法中后拉束对先张拉混凝土弹性压缩，后张法中后拉束对先张拉束造成的压缩变形而产生束造成的压缩变形而产生分批张拉损失分批张拉损失等。等。第32页/共120页331
24、1、预应力钢筋由于锚具变形和钢筋内缩引起的损失、预应力钢筋由于锚具变形和钢筋内缩引起的损失 l1 预应力筋张拉后锚固时，由于锚具受力后变形、垫板缝隙的挤紧以及钢筋在锚具种的内缩引起的预应力损失记为 l1。对直线预应力筋，第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失第33页/共120页34 后张法构件预应力曲线钢筋或折线形钢筋由于锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失值l1，应根据预应力曲线钢筋或折线钢筋与孔道壁之间反向磨擦影响长度lf范围内的预应力钢筋变形值等于锚具变形和预应力钢筋内缩值的条件确定。第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失减小预应力损失l1的措施
25、：选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩小的锚具、夹具，并尽量少用垫板，因每增加一块垫板，值就增加1mm1mm；增加台座长度。因l1值与台座长度成反比，采用先张法生产的构件，当台座长度为100100米以上时，l1可忽略不计。第34页/共120页352 2、预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的损失、预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的损失 l2 摩擦损失是指在后张法张拉钢筋时，由于预应力筋与周围接触的混凝土或套管之间存在摩擦，引起预应力筋应力随距张拉端距离的增加而逐渐减少的现象。曲线预应力筋第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失直线预应力筋第35页/共120页36取dx=rdq q，N
26、p=pAp第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失第36页/共120页37第十二 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失q q 为张拉端与计算截面曲线部分的切线夹角（rad）设该夹角很小，可近似取张拉端到计算截面的距离 x=rq q，则摩擦损失 l2为，若K K：考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数；X X：从张拉端至计算截面的孔道长度；：预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数；第37页/共120页38第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失钢丝束、钢绞线摩擦系数孔道成型方式km预埋金属波纹管预埋钢管抽芯成型无粘结预应力钢绞线0.0015 0.00100
27、.00150.00350.250.250.550.09注：1、当有可靠的试验数据资料时，表列系数值可根据实测数据确定；2、当采用钢丝束的钢质锥形锚具及类似形式锚具时，尚应考虑锚杯口处的附加摩擦损失，其值可根据实测数据确定；3、无粘结预应力钢绞线的数据适用于由公称直径 12.70mm或15.20mm钢绞线制成的无粘结预应力钢筋。第38页/共120页39 对于曲线预应力筋张拉锚固时，由于锚具变形和钢筋内缩a(mm)，使预应力筋有回缩的趋势，从而产生反向摩擦力以阻止其内缩。反向摩擦力只在一定的影响长度lf(m)内发生，即在距张拉端lf处，预应力筋的内缩值为零。第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控
28、制应力和预应力损失第39页/共120页40第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失设反向摩擦和正向摩擦相同Ds=2sl2内缩值第40页/共120页41第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失设反向摩擦和正向摩擦相同D D=2 l2第41页/共120页42一端张拉两端张拉超张拉减少摩擦损失的措施第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失第42页/共120页433 3、预应力钢筋与台座之间温差引起的损失、预应力钢筋与台座之间温差引起的损失 l3 为缩短先张法构件的生产周期，常采用蒸汽养护加快混凝土的凝结硬化。升温时，新浇混凝土尚未结硬，钢筋受热膨
29、胀，但张拉预应力筋的台座是固定不动的，亦即钢筋长度不变，因此预应力筋中的应力随温度的增高而降低，产生预应力损失 l3。降温时，混凝土达到了一定的强度，与预应力筋之间已具有粘结作用，两者共同回缩，已产生预应力损失 l3无法恢复。设养护升温后，预应力筋与台座的温差为D D t，取钢筋的温度膨胀系数为110-5/，则有：第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失减少 l3 损失的措施：（1）采用两次升温养护。先在常温下养护，待混凝土强度达到一定强度等级，再逐渐升温至规定的养护温度，（2）钢模上张拉预应力钢筋，由于预应力钢筋是锚固在钢模上的，升温时两者温度相同，可以不考虑此项损失。第4
30、3页/共120页444 4、预应力钢筋应力松驰引起的损失、预应力钢筋应力松驰引起的损失 l4 钢筋在高应力长期作用下具有随时间增长产生塑性变形的性质。在长度保持不变的条件下，应力值随时间增长而逐渐降低，这种现象称为松弛。应力松弛与初始应力水平和作用时间长短有关。根据应力松弛的长期试验结果，规范取普通预应力钢丝和钢绞线：低松弛预应力钢丝和钢绞线：当 con0.7fptk时，当0.7fptk 3m d3m时 l6 =0=0 第49页/共120页50第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失三、预应力损失的组合三、预应力损失的组合 预应力混凝土构件从预加应力开始即需要进行计算，而预应
31、力损失是分批发生的。因此，应根据计算需要，考虑相应阶段所产生的预应力损失。混凝土预压前完成的损失 lI；混凝土预压后完成的损失 lII。根据上述预应力损失发生时间先后关系，具体组合见表。第50页/共120页51第十章 预应力混凝土结构10.4 张拉控制应力和预应力损失 考虑到预应力损失计算的误差，在总损失计算值过小时，产生不利影响，规范规定当总损失值 l=lI+lII小于下列数值时，按下列数值取用：先张法构件 100MPa 后张法构件 80MPa四、混凝土弹性压缩引起的损失四、混凝土弹性压缩引起的损失 le先张法构件放张时，预应力筋与混凝土一起受压缩短，引起预应力筋应力降低。设混凝土预压应力在
32、弹性范围，则根据钢筋与混凝土共同变形的条件，可得混凝土弹性压缩引起的损失 le为：对后张法构件，当一次张拉所有预应力筋时，无弹性压缩损失。第51页/共120页52第十章 预应力混凝土结构10.5 轴心受拉构件受力性能分析10.5 10.5 预应力砼轴心受拉构件受力性能分析预应力砼轴心受拉构件受力性能分析一、施工阶段一、施工阶段 1、先张法构件 Pre-tension放张前放张后完成第二批损失平衡条件第52页/共120页53第十章 预应力混凝土结构10.5 轴心受拉构件受力性能分析 式中 l、pc、p 和Np0为概括符号，即按不同的阶段代表相应阶段的预应力损失、应力和预应力筋合力取值即可。若考虑
33、非预应力钢筋，则有：第53页/共120页54第十章 预应力混凝土结构10.5 轴心受拉构件受力性能分析第54页/共120页55第十章 预应力混凝土结构2、后张法构件 Post-tension 如所有钢筋同时张拉，则后张法构件无弹性压缩应力损失(le=0)。因此扣除预应力损失后预应力筋承受的拉力直接与混凝土承受的压力平衡，故由平衡条件，采用概括符号可得混凝土的预压应力:10.5 轴心受拉构件受力性能分析若考虑非预应力钢筋，则有：第55页/共120页56第十章 预应力混凝土结构先张法后张法 有无弹性压缩损失有无弹性压缩损失 le是先张法与后张法计算公式的差异所在是先张法与后张法计算公式的差异所在
34、假定两张拉方法的假定两张拉方法的 con和和 l 相同，则相同，则Np0和和Np的数值相等，但的数值相等，但先先张法构件有弹性压缩损失，而后张法构件无弹性压缩损失张法构件有弹性压缩损失，而后张法构件无弹性压缩损失，故，故得到的得到的 pc不等，先张法小于后张法。不等，先张法小于后张法。预应力筋预应力筋中应力也不相等，先张法的预应力筋应力除需扣除中应力也不相等，先张法的预应力筋应力除需扣除 l外，还要扣除弹性压缩损失，而后张法构件则仅需扣除外，还要扣除弹性压缩损失，而后张法构件则仅需扣除 l。10.5 轴心受拉构件受力性能分析第56页/共120页57第十章 预应力混凝土结构10.5 轴心受拉构件
35、受力性能分析第57页/共120页58第十章 预应力混凝土结构二、使用阶段二、使用阶段虽然虽然先张法先张法和和后张法后张法在施工阶段的应力计算有所差别，但混在施工阶段的应力计算有所差别，但混凝土中建立起预压应力凝土中建立起预压应力 pc后开始施加外荷载，后开始施加外荷载，两者的受力过两者的受力过程是相同的程是相同的。由于混凝土预先受到预压应力由于混凝土预先受到预压应力 pc，因此轴向拉力，因此轴向拉力N产生的拉产生的拉应力应力 c，需先抵消需先抵消 pc，才能使混凝土进入受拉。，才能使混凝土进入受拉。故在达到混凝土抗拉强度故在达到混凝土抗拉强度ftk之前，可按弹性材料力学用换算之前，可按弹性材料
36、力学用换算截面方法确定的截面拉应力，即截面方法确定的截面拉应力，即预应力筋的应力增量先张法后张法10.5 轴心受拉构件受力性能分析第58页/共120页59第十章 预应力混凝土结构1、消压状态当 时消压轴力先后 消压状态是预应力混凝土构件计算中的一个重要概念，它相当于非预应力构件的起始状态。从消压状态开始，以后荷载增量（N-N0）产生的应力增量与非预应力混凝土构件从零开始加荷产生的应力类似。先张法后张法10.5 轴心受拉构件受力性能分析第59页/共120页60第十章 预应力混凝土结构2、开裂轴力：当 时3、开裂后：NNcr，在裂缝截面轴力全部由预应力筋承担，即相当于钢筋砼构件直接加载产生的钢筋应
37、力。将该应力增量代替裂缝宽度计算公式中的钢筋应力 ss后，即可计算预应力构件的裂缝宽度。10.5 轴心受拉构件受力性能分析4、极限轴力：当预应力筋的应力达到起抗拉强度时，达到极限轴力第60页/共120页61第十章 预应力混凝土结构10.5 轴心受拉构件受力性能分析第61页/共120页62第十章 预应力混凝土结构10.5 轴心受拉构件受力性能分析第62页/共120页63第十章 预应力混凝土结构10.5 轴心受拉构件受力性能分析第63页/共120页64第十章 预应力混凝土结构10.5 轴心受拉构件受力性能分析小 结：（1）在施工阶段，先张法与后张法的pcII计算公式的形式基本相同，只是l的具体计算
38、不同，同时先张法构件用换算截面面积A0，而后张法构件用净截面面积An。（2）使用阶段N0、Ncr、Nu的三个计算公式，不论先张法或后张法，公式形式都相同，但计算N0和Ncr时两种方法的pcII是不相同的。（3）当材料强度等级和载面尺寸相同时，预应力混凝土轴心受拉构件与钢筋混凝土受拉构件的承载力相同。（4）预应力砼构件出现裂缝比钢筋砼构件迟得多，故构件抗裂度大为提高，但出现裂缝时的Ncr与破坏时Nu比较接近，延性较差。（5）预应力钢筋从张拉直至构件破坏，始终处于高拉应力状态，而混凝土则在轴向拉力达到N0值以前始终处于受压状态，发挥了两种材料各自的性能。第64页/共120页65第十章 预应力混凝土
39、结构先张法构件10.5 轴心受拉构件受力性能分析第65页/共120页66第十章 预应力混凝土结构后张法构件10.5 轴心受拉构件受力性能分析第66页/共120页67第十章 预应力混凝土结构10.6 轴心受拉构件的设计一、轴心受拉构件使用阶段的计算一、轴心受拉构件使用阶段的计算 1使用阶段承载力计算 10.6 10.6 预应力砼轴心受拉构件的设计预应力砼轴心受拉构件的设计NNu=fpyAp+fyAs式中 N构件的轴向受拉承载力设计值；fpy、fy预应力钢筋及非预应力钢筋抗拉强度设计值；Ap、As预应力钢筋及非预应力钢筋的截面面积。第67页/共120页68第十章 预应力混凝土结构10.6 轴心受拉
40、构件的设计 预应力砼构件的抗裂等级划分为三个裂缝控制等级进行验算 （）一级严格要求不出现裂缝的构件 在荷载效应的标准组合下 （）二级一般要求不出现裂缝的构件 在荷载效应的标准组合下 在荷载效应的准永久组合下 式中 ck、cq荷载效应的标准组合、准永久组合下抗裂验算混 凝土法向应力；NNcr=(pcII+ftk)A0c-pcIIftkc-pcIIftk2.抗裂度验算及裂缝宽度验算ck-pcII0cq-pcII0第68页/共120页69第十章 预应力混凝土结构10.6 轴心受拉构件的设计 （3）三级允许出现裂缝的构件 在荷载效应的标准组合，并考虑裂缝宽度不均匀性和荷载长期作用的影响，纵向受拉钢筋截
41、面重心水平计算的最大裂缝宽度为：式中 te纵向受拉钢筋有效配筋率，sk 按荷载效应标准组合计算的受拉钢筋的等效应力 deq纵向受拉钢筋的等效直径；第69页/共120页70第十章 预应力混凝土结构10.6 轴心受拉构件的设计第70页/共120页71第十章 预应力混凝土结构10.6 轴心受拉构件的设计二、轴心受拉构件施工阶段的验算 1施工阶段应力验算 张拉（或放松）预应力钢筋时，按施工阶段荷载标准值组合计算得到的截面上混凝土的压应力 cc应满足下列要求：先张法后张法第71页/共120页72第十章 预应力混凝土结构2 2、施工阶段局部承压计算 后张法构件张拉预应力时，锚具下有较大的局部压应力，要经后
42、张法构件张拉预应力时，锚具下有较大的局部压应力，要经过一段距离才能扩散的较大的混凝土受力面积上。过一段距离才能扩散的较大的混凝土受力面积上。在局部受压区域，除正压应力外在局部受压区域，除正压应力外 x 外，还存在横向应力外，还存在横向应力 y 和和 z，处于三向应力状态。，处于三向应力状态。在锚具垫板附近，横向应力在锚具垫板附近，横向应力 y 和和 z 为压应力，而距构件端部一为压应力，而距构件端部一定距离后，定距离后，横向应力横向应力 y和和 z为则为则拉拉应力应力。当拉应力超过当拉应力超过 ft 时，将出现纵向裂缝，导致局部受压破坏。时，将出现纵向裂缝，导致局部受压破坏。10.6 轴心受拉
43、构件的设计第72页/共120页73第十章 预应力混凝土结构为提高局部抗压承载力，需在局部受压区内配置横向钢筋网或螺旋钢筋等间接钢筋。但当局部压应力过大，间接钢筋配置过多时，会产生过大的局部下陷变形，使预应力失效。规范规定局部受压面积应满足Aln扣除孔道面积的混凝土局部受压净面积，可按沿锚具边缘在垫板中以 45角扩散后传到混凝土的受压面积计算。b bc 砼强度影响系数；b bl 砼局压时强度提高系数；Al 砼局部受压面积；Ab 局部受压的计算底面积；为避免出现孔道愈大，b bl 值愈高的不合理现象，在计算b bl 时，Al 和Ab 均不扣除孔道面积。10.6 轴心受拉构件的设计第73页/共120
44、页74第十章 预应力混凝土结构10.6 轴心受拉构件的设计 局部受压的计算底面积Ab，可根据局部受压面积Al与计算底面积同心、对称的原则按图取值。第74页/共120页75第十章 预应力混凝土结构局部受压承载力计算当采用方格网时，当采用螺旋配筋时，10.6 轴心受拉构件的设计a a 为间接钢筋对砼约束的折减系数，C50时a a=1.0，C80时a a=8.5作业：P281 10-2第75页/共120页76第十章 预应力混凝土结构一、施工阶段 1、先张法构件10.7 10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析预应力砼受弯构件受力性能分析 yt ybep0lconpsss-=0放张前spc y0pcEl
45、conpsasss-=放张后先张法受弯构件施工阶段应力分析10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第76页/共120页77第十章 预应力混凝土结构10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第77页/共120页78第十章 预应力混凝土结构10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第78页/共120页79第十章 预应力混凝土结构2、后张法构件10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第79页/共120页80第十章 预应力混凝土结构10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第80页/共120页81第十章 预应力混凝土结构二、使用阶段 无论是先张法还是后张法，施加外弯矩无论是先张法还是后张法，施加外弯矩M后，预应力筋与
46、混凝土是共后，预应力筋与混凝土是共同变形的。同变形的。因此，在达到混凝土抗拉强度因此，在达到混凝土抗拉强度 ftk 之前之前，可按弹性材料力，可按弹性材料力学按换算截面惯性矩学按换算截面惯性矩I0来确定由弯矩产生的截面应力，即来确定由弯矩产生的截面应力，即拉为正10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析梁底边应力第81页/共120页82第十章 预应力混凝土结构1、消压弯矩M0 当外弯矩M产生的截面受拉边缘的拉应力 c恰好抵消混凝土的预压应力 pc时，这时的弯矩称为消压弯矩M0，W0b为换算截面对受拉边缘的弹性抵抗矩10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第82页/共120页83第十章 预应力混凝土结
47、构2、开裂弯矩Mcrg gm=0.2566=1.536截面抵抗矩塑性系数，与截面形状和截面高度有关10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第83页/共120页84第十章 预应力混凝土结构2、开裂弯矩Mcrg gm=0.2566=1.536截面抵抗矩塑性系数，与截面形状和截面高度有关10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第84页/共120页85第十章 预应力混凝土结构3、假想全截面消压状态预应力混凝土构件的全截面消压状态，相当于钢筋混凝土构件的起始受力状态，在计算概念上很重要，且对分析使用阶段和极限弯矩的截面应力有很大帮助。因为在施加弯矩M的过程中，预应力混凝土受弯构件不会出现如同轴心受拉构件的全
48、截面消压状态。故将产生全截面消压状态的受力情况称为假想全截面消压状态。10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第85页/共120页86第十章 预应力混凝土结构先张法后张法10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第86页/共120页87第十章 预应力混凝土结构先张法后张法10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第87页/共120页88第十章 预应力混凝土结构4、开裂后=+z z10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第88页/共120页89第十章 预应力混凝土结构5、极限弯矩 随着荷载增加，受拉区预应力筋先达到屈服强度，受压边缘混凝土达到极限压应变e ecu，截面达到受弯极限状态，其截面应力分布与钢筋混
49、凝土受弯构件类似，但有以下几点不同之处：受压区预应力筋Ap的应力 p10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析极限状态时截面应力分布 a1 fppyAfPpAs x=b xncMu ppeeD-00pepye xn ecu极限状态时截面应变分布全截面消压状态时截面应变0pe0pe第89页/共120页90第十章 预应力混凝土结构 相对界限受压区高度x xb 对于有明显屈服点的钢筋 对于无明显屈服点的钢筋10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第90页/共120页91第十章 预应力混凝土结构适用条件10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析极限状态时截面应力分布ppyAfPpAs x=b xn a1 fc
50、Mu第91页/共120页92第十章 预应力混凝土结构ppA0sppA0s yp ypep0Np0先张法三、一般受弯构件预压应力的计算 一般预应力混凝土受弯构件的截面配筋，还配置一定非预应力钢筋As和As。由于收缩徐变变形使非预应力筋也产生与收缩徐变预应力损失 l5相当的压应力，因此在预压应力 pc计算时，应考虑非预应力筋这部分压力的影响。10.7 预应力砼受弯构件受力性能分析第92页/共120页93第十章 预应力混凝土结构三、一般受弯构件预压应力的计算 一般预应力混凝土受弯构件的截面配筋，还配置一定非预应力钢筋As和As。由于收缩徐变变形使非预应力筋也产生与收缩徐变预应力损失 l5相当的压应力